基于ADAMS的地鐵隧道清潔車滾刷系統的研究*

譚元文 王國志 曹年歡

（西南交通大學先進驅動節能技術教育部工程研究中心 成都 610031）

1 引言

隨著中國經濟快速發展、城市化進程逐步加快，城市規模不斷擴大，城市交通越來越擁擠。為緩解交通壓力，許多大城市大力發展地鐵［1～2］。隨著地鐵里程迅速增加，地鐵隧道內的清潔工作日益繁重。地鐵隧道的運營環境不僅影響地鐵隧道內的環境美觀，還對地鐵車輛行車構成安全威脅［3］。細小的灰塵顆粒被乘客吸入肺里，還會引發一系列的呼吸疾病［4］。因此，保持地鐵隧道清潔就是保證地鐵車輛的行車安全，也會保證乘客的呼吸健康。

通常垃圾顆粒被吸污系統吸起需經歷兩個過程：克服滾動摩擦力開始滾動；風速達到顆粒的最小起動速度，顆粒懸浮并被吸入吸污口［5］。為了提高清潔效率，使用清潔車的滾刷系統將顆粒掃起，直接將顆粒掃至吸污口。有學者對清潔車清掃系統進行了研究：丁青海等［6］利用動力學仿真軟件ADAMS對小型電動掃地車滾刷系統清掃過程進行了仿真；陳順［7］通過對不同布置方式的清潔裝置進行性能分析，設計了具有自動避讓功能的清掃裝置；王吉瑞［8］設計了一種小型吸掃式清潔車，其吸塵系統的主要作用時防止二次揚塵；林琳等［9］利用三維軟件對軌道清潔車進行建模、裝配和分析，更加清晰地展示了各構件的連接方式，從而實現合理布局，實現了對軌道和道床的全面清潔；Francis等［10］設計了一種可自動收集垃圾的鐵路清掃機器人，并且能夠自動噴灑消毒劑；Xiao等［11］通過在軌道清潔車上安裝實時監控系統，以便于監測水箱和污水艙的水高度、車外溫度和油壓等，使清潔工作有效進行。上述研究對清潔車的優化均有指導意義，但他們未考慮滾刷系統對吸掃結合式清潔車吸污口的影響。為此，分析滾刷系統不同因素對顆粒清掃效果的影響能夠提高清掃效率。

2 滾刷與地面及顆粒接觸關系分析

2.1 滾刷與地面接觸關系分析

經查閱文獻［12］得知，標準地鐵軌道的軌距為1435mm，去除鋼軌彈性扣件所占距離，本文將滾刷系統寬度設計為1200mm。傳統的滾刷系統為單滾刷系統，其結構主要有滾刷、吸塵口和擋板。其工作過程為滾刷將顆粒掃起，使顆粒有一個向上的初速度，被掃起的顆粒經過擋板二次反彈，彈起的顆粒被吸塵口吸走。為了提高滾刷系統的清掃效率，在單滾刷的基礎上再添加一個后滾刷，其旋轉方向與前滾刷旋轉方向相反，此種滾刷為雙滾刷系統。

顆粒受到滾刷系統刷毛的力的大小會影響滾刷系統的清掃效果，因此為提高滾刷系統清掃效率，需對滾刷與路面接觸關系進行分析。

滾刷刷毛與地鐵隧道地面接觸關系如圖1所示。其中v為牽引車行駛速度，ω為滾刷轉速，Δx為刷毛最大變形量，β為刷毛剛與地面接觸時在豎直方向上的夾角，S為單束刷毛在地面上的最大清掃距離，α1與α2為顆粒被拋射后速度方向與水平面的夾角，稱為拋射角，拋射角越大，越有利于吸塵口吸走顆粒，清污系統的清潔效率就越高。由圖可知，當刷毛與地面垂直時刷毛的變形量最大。由此可以得到刷毛剛與地面接觸時與豎直方向的夾角β與最大變形量Δx之間的關系式為：

圖1 滾刷刷毛與地面接觸關系

上式中，R為刷毛頂部到滾軸中心的距離，m；從上式可以知道當Δx值越大，β值也越大；β值越大，滾刷與顆粒分離時刷毛與地面的夾角越小，顆粒被拋射時在豎直方向上的速度也就越大。

在清潔車向前運動的過程中，為防止刷毛打滑現象的產生，則應使滾刷刷毛與地面接觸部分速度大于清潔車行進速度，即應滿足下列不等式：

由式（2）可知，當其它參數保持不變時，清潔車行駛速度v與滾刷轉速ω成正比關系。本文取滾軸直徑為0.15m，刷毛長度為0.3m，則可得到R的值為0.375m，刷毛的最大變形量Δx為0.01m，由式（1）可計算出角度β為13.26°。將上述值代入式（2）后可得到的不等式如下：

2.2 滾刷與顆粒接觸關系分析

為了分析滾刷刷毛對不同顆粒的接觸影響，需對刷毛與顆粒接觸關系進行分析，其關系如圖2所示。

圖2 滾刷刷毛與顆粒接觸關系

假設刷毛與顆粒接觸時間為Δt，在接觸時間內忽略空氣阻力，且在該時間內刷毛給顆粒的力F為定值，根據動量守恒定律，顆粒在水平方向與豎直方向上的速度關系為

將式（4）兩邊分別除以式（5）兩邊可得到下式：

從上式可以看出，當顆粒受力不變時，豎直方向的速度與水平方向的速度之比與顆粒質量有關，即顆粒的拋射角與顆粒質量有關，顆粒質量越大，拋射角越小。

3 地鐵隧道清潔車滾刷系統介紹

為了驗證雙滾刷系統的性能，使用動力學仿真軟件ADAMS對單滾刷與雙滾刷系統的工作過程進行仿真對比，模型如圖3所示。此模型主要由前滾刷、后滾刷、吸污口以及外殼組成。滾刷主要將地面的顆粒向后拋起并使顆粒向吸污口集中，吸污口將滾刷掃起的顆粒吸走，外殼的作用是防止被滾刷掃起的顆粒四處飛濺。

圖3 滾刷系統

為節省仿真計算量，需對模型進行簡化，簡化后的仿真模型由滾刷、地面與垃圾顆粒組成。在ADAMS中導入仿真模型，設置參數：重力加速度沿-Y方向為9.80335m/s2，添加刷毛材料，需要使用ADAMS自帶的柔性化模塊對其進行柔性化［13］，地鐵隧道最常見的垃圾顆粒為土塊與石子，它們的密度分別為1300kg/m3與1500kg/m3。刷毛與顆粒之間、地面與顆粒之間都需添加接觸力，其中顆粒與地面的靜摩擦因數與動摩擦因數分別為0.55和0.5，顆粒與刷毛的靜摩擦因數與動摩擦因數分別為0.1和0.09。將滾刷轉速設為120r/min，對不同牽引速度下的滾刷系統工作過程進行仿真，分析在兩種滾刷系統中顆粒的運動情況，仿真結果如圖4所示。

由圖4可知，隨著清潔車牽引速度的增加，在單滾刷系統的作用下，土塊在水平方向的速度逐漸減小，在豎直方向的速度基本保持不變；在雙滾刷系統的作用下，土塊在水平方向的速度逐漸增大，在豎直方向的速度基本保持不變。并且土塊在單滾刷作用下豎直方向的速度均遠遠小于在雙滾刷系統作用下豎直方向的速度，在水平方向的速度大于在雙滾刷系統作用下的水平速度。

圖4 兩種系統下土塊速度與清潔車行駛速度關系

為了更直觀地對比兩種滾刷的清掃效果，分析土塊的拋射角隨清潔車牽引速度的影響，結果如圖5所示。由圖5可知，在單滾刷系統作用下，土塊的拋射角α1隨著牽引速度的增加而增加，在雙滾刷系統作用下，土塊的拋射角α2隨著牽引速度的增加而逐漸減小，并且拋射角α2遠遠大于α1。由于拋射角越大，越有利于吸塵口除塵，因此雙滾刷系統的清掃效果遠遠大于單滾刷系統。因此本文選擇雙滾刷系統作為地鐵隧道清潔車的滾刷系統。

圖5 兩種系統下土塊的拋射角與牽引速度關系

4 滾刷清掃過程仿真分析

4.1 刷毛材料的選擇

刷毛材料的選擇對滾刷的清掃效果有很大影響，因此需對不同材料的刷毛進行對比分析［14］。早在20世紀，就有國家將滾刷應用到工程實際中，當時的滾刷刷毛的材料多為竹制的，這種材料的刷毛基本能滿足工作要求，但是它的缺點是非常不耐磨，而且易折損，一般作業10h，折損率就達到了20%。還有的滾刷刷毛為鋼絲刷毛，其優點是生產難度小，生產廠家多，其成本也低。但其缺點是鋼絲刷毛在工作一段時間后會逐漸脫落，而且由于其硬度高，會損壞地面。尼龍刷毛不僅具有高耐磨性、高沖擊韌性，而且價格便宜［15］，因此本文選擇尼龍為刷毛材料。

4.2 清潔車牽引速度影響

為了研究清潔車牽引速度對滾刷系統清掃不同顆粒的影響，利用ADAMS對同一滾刷轉速下不同牽引速度的清掃過程進行仿真，并且分析滾刷系統對不同顆粒的作用的影響，仿真結果如圖6所示。

由圖6可知，土塊與石子的拋射角均隨牽引速度的增加而逐漸減小，并且在相同的牽引速度下，土塊的拋射角大于石子的拋射角。這是由于當牽引速度增加時，后滾刷刷毛在水平方向的分速度也逐漸增加，而豎直方向的分速度保持不變，由動量守恒定律可知，刷毛施加在土塊與石子上的水平作用力逐漸增大，在豎直方向上的力保持不變，所以當牽引速度逐漸增大時，顆粒速度方向與地面夾角逐漸減小。由式（6）可知，顆粒質量越大，拋射角越小，由于相同體積的石子密度比土塊大，因此石子的拋射角小于土塊的拋射角。綜上所述，當清潔車牽引速度為3km/h時滾刷清掃效果最好。

圖6 顆粒拋射角與牽引速度關系

4.3 滾刷轉速的影響

為了分析滾刷轉速對顆粒速度的影響，對不同滾刷轉速作了仿真對比。為防止滾刷拖掃現象的發生，要求滾刷轉速足夠大，文章選取牽引車速度為3km/h，根據式（3）可計算得出滾刷轉速不得小于22r/min，本文選取滾刷轉速范圍為60r/min～300r/min，其結果如圖7所示。

圖7 顆粒拋射角與滾刷轉速關系

由圖7可知，當滾刷轉速在60r/min～180r/min時，土塊與石子的拋射角隨著滾刷轉速的增加而增加，當滾刷轉速大于180r/min時，顆粒的拋射角趨于穩定。這是由于當滾刷在60r/min～180r/min時，隨著滾刷轉速的增大，顆粒受到刷毛在豎直方向與水平方向的力均增大，但由于顆粒自身重力的原因，滾刷轉速越大，顆粒重力對豎直方向的速度影響就越小，從而顆粒豎直方向速度比上水平方向的速度值就越大，也就是顆粒的拋射角越大；當滾刷轉速大于180r/min時，刷毛作用在顆粒的力非常大，此時顆粒的重力影響越來越小，因此顆粒的拋射角趨于穩定。由于顆粒的速度隨著滾刷轉速的增大而增大，因此為了防止顆粒速度過大而四處飛濺，且考慮滾刷轉速對顆粒拋射角的影響，選擇滾刷轉速為180r/min。

4.4 不同大小的顆粒與拋射角關系

為了分析滾刷對不同大小的顆粒的影響，對不同大小的顆粒進行了對比仿真。將石子的形狀近似為球形，其直徑大小在1mm～4mm范圍內，土塊的形狀近似為正方體，其邊長在2mm～20mm范圍內，仿真結果如圖8所示。

圖8 顆粒拋射角與顆粒大小關系

由圖8可知，石子與土塊的拋射角均隨直徑的增大而減小，這是由于顆粒受到自身重力的影響，當顆粒質量越小，其自身重力對刷毛給顆粒的力的影響也就越小，從而拋射角越大。由土塊拋射角與顆粒邊長關系可以看出，拋射角在土塊邊長為4mm～12mm范圍內減小速度較快，這是由于在此范圍內顆粒重力對刷毛給顆粒的力的影響較大，因此顆粒拋射角變化也很大。隨著顆粒邊長的減小，顆粒質量逐漸減小，顆粒重力對顆粒的受力影響逐漸減小，顆粒的拋射角變化也就逐漸減小。當顆粒邊長大于12mm時，由于顆粒質量較大，在被前滾刷第一次掃起后未到達后滾刷刷毛處就掉落在地面上，此時后滾刷將顆粒再次掃起時的拋射角就很小，所以當顆粒邊長大于12mm時，其拋射角非常小且減小速度變慢。

5 結語

1）介紹了清潔車清污系統的主要結構，介紹了清污系統各個部分的作用及工作原理。分析了滾刷刷毛與地面的接觸關系，得到了滾刷轉速與清潔車行駛速度之間的關系；分析了滾刷刷毛對顆粒的作用力，得到了顆粒拋射角和顆粒質量的關系：顆粒質量越大，其拋射角越小。

2）利用仿真軟件ADAMS對單滾刷與雙滾刷對顆粒的作用進行了對比，結果表明雙滾刷清掃顆粒的效果更好。

3）利用仿真軟件ADAMS對雙滾刷工作過程進行了動力學仿真。綜合各個因素，當滾刷刷毛材料為尼龍材料，清潔車牽引速度為3km/h，滾刷轉速為180r/min時，雙滾刷系統清掃顆粒效果最好。